Jak funguje mechanismus hřebenového řízení automobilu?

Existuje několik typů mechanismu řízení Víte, že když otočíte volantem, kola auta se otáčí. Ale mezi otáčením volantu a otáčením kol dochází k určitým akcím.

V tomto článku se podíváme na vlastnosti dvou nejběžnějších typů převodky řízení: hřebenové řízení a převodka řízení s kulovou maticí. Povíme si také o posilovači řízení a dozvíme se o zajímavých technologiích ve vývoji systémů řízení, které dokážou snížit spotřebu paliva. Nejprve se však podíváme na to, jak dochází k otáčení. Ne vše je tak jednoduché, jak by se mohlo zdát.

Otáčení auta

Možná vás překvapí, že kola na přední nápravě sledují při zatáčení různé dráhy.

Aby bylo zajištěno plynulé otáčení, každé kolo musí vytyčovat jiný kruh. Vzhledem k tomu, že vnitřní kolo popisuje kolo s menším poloměrem, zatáčí ostřeji než to vnější. Pokud ke každému kolu nakreslíte kolmici, čáry se protnou ve středovém bodu otáčení. Geometrie otáčení způsobuje, že se vnitřní kolo otáčí více než vnější kolo.

Existuje několik typů převodů řízení. Nejběžnější jsou převodka řízení s hřebenem a pastorkem a převodka řízení s kulovou maticí.

Hřebenové řízení

Hřebenové řízení je široce používáno v osobních automobilech, lehkých nákladních vozidlech a SUV. Ve skutečnosti je tento mechanismus docela jednoduchý. Hřebenová a pastorková kola jsou umístěna v kovové trubce s hřebenem vyčnívajícím z každé strany. Konec řízení se připojuje ke každé straně hřebenu.

Hnací kolo je spojeno s hřídelí řízení. Když otočíte volantem, ozubené kolo se začne otáčet a uvede hřeben do pohybu. Špička řízení na konci hřebenu je spojena s dvojnožkou řízení na vřetenu (viz obrázek).

• Převádí rotační pohyb volantu na lineární pohyb nutný k otáčení kol.
• Poskytuje převodový poměr pro usnadnění otáčení kola.

Převodový poměr řízení je poměr stupně řízení ke stupni natočení kol. Pokud například jedno celé otočení volantem (360 stupňů) otočí volantem o 20 stupňů, pak je převodový poměr řízení 18:1 (360 děleno 20). Čím vyšší je převod, tím větší je úhel natočení volantu. Navíc, čím vyšší je poměr, tím menší úsilí je potřeba.

Lehká sportovní auta mají obvykle nižší převod řízení než větší auta a nákladní auta. S nízkým převodem řízení je odezva řízení rychlejší, takže při zatáčení nemusíte silou točit volantem. Čím menší je vůz, tím menší je jeho hmotnost a i při nízkém převodovém poměru nevyžaduje další úsilí při zatáčení.

Existují také vozy s proměnným převodem řízení. V tomto případě má hřeben a pastorek různou rozteč zubů (počet zubů na palec) uprostřed a po stranách. Vůz díky tomu rychleji reaguje na otáčení volantem (ozubnice je umístěna blíže středu) a snižuje se námaha při úplném otočení volantu.

Posilovač řízení s hřebenem a pastorkem

Pokud máte mechanismus hřebenového řízení s posilovačem, hřeben má trochu jiný design. Hřebenová část obsahuje válec s pístem uprostřed. Píst je spojen s hřebenem. Na obou stranách pístu jsou dva otvory. Přívod vysokotlaké kapaliny na jednu stranu pístu způsobí pohyb pístu, který otáčí hřebenem a dodává sílu do mechanismu řízení.

Dále se v článku podíváme na komponenty zesilovače. Nejprve si ale povíme o jiném typu mechanismu řízení.

Převodka řízení s kulovou maticí

Kuličkové matice řízení lze nalézt na mnoha nákladních a SUV. Tento systém se mírně liší od hřebenového mechanismu.

Mechanismus řízení s kulovou maticí obsahuje šnekový převod. Šnekové kolo může být obvykle rozděleno na dvě části. První částí je kovový blok se závitovým otvorem. Tento blok má na vnější straně zuby, které zapadají do ozubeného kola, které pohání rameno řízení (viz obrázek). Volant je připojen k závitové tyči, podobné šroubu, instalované v závitovém otvoru v bloku. Když se volant otáčí, šroub se otáčí s ním. Namísto šroubování do bloku jako běžné šrouby je tento šroub zajištěn tak, že když se otáčí, pohání blok, který zase pohání šnekové kolo.

Šroub nepřichází do kontaktu se závity bloku, protože je naplněn kuličkovými ložisky obíhajícími mechanismem. Kuličková ložiska se používají ke dvěma účelům: Snižují tření a opotřebení ozubeného kola a snižují znečištění mechanismu. Pokud v mechanismu řízení nejsou kuličky, nějakou dobu se zuby vzájemně nedotýkají a vy budete mít pocit, že volant ztratil tuhost.

Hydraulický posilovač v mechanismu řízení s kulovou maticí funguje přesně stejným způsobem jako v mechanismu řízení s hřebenem a pastorkem. Vyztužení je zajištěno přiváděním tekutiny pod vysokým tlakem na jednu stranu bloku.

Dále se podíváme na komponenty posilovače řízení.

Posilovač řízení

Kromě samotného mechanismu řízení obsahuje posilovač řízení několik hlavních součástí.

Čerpadlo

Lopatkové čerpadlo zásobuje mechanismus řízení hydraulickou energií (viz obrázek). Motor pohání čerpadlo pomocí řemene a řemenice. Čerpadlo obsahuje zapuštěné lopatky otáčející se v komoře oválného tvaru.

Jak se lopatky otáčejí, tlačí nízkotlakou hydraulickou kapalinu ze zpětného potrubí do vysokotlakého výstupu. Síla proudění závisí na počtu otáček motoru automobilu. Konstrukce čerpadla zajišťuje potřebný tlak i při volnoběžných otáčkách. Výsledkem je, že čerpadlo pohybuje více kapaliny, když motor běží ve vyšších otáčkách.

Čerpadlo má pojistný ventil pro zajištění správného tlaku, což je důležité zejména při vysokých otáčkách motoru, kdy je dodáváno velké množství kapaliny.

Otočný ventil

Hydraulický posilovač by měl řidiči pomoci pouze při působení síly na volant (při zatáčení). Při absenci síly (například při jízdě v přímém směru) by systém neměl poskytovat asistenci. Zařízení, které určuje působení síly na volant, se nazývá rotační ventil.

Hlavní součástí rotačního ventilu je torzní tyč. Torzní tyč je tenká kovová tyč, která se otáčí pod vlivem točivého momentu. Horní konec torzní tyče je připojen k volantu a spodní k ozubenému kolu nebo šnekovému soukolí (které otáčí koly), přičemž krouticí moment torzní tyče se rovná kroutícímu momentu aplikovanému řidičem k otáčení kol. Čím vyšší je točivý moment, tím větší je rotace torzní tyče. Vstup hřídele řízení tvoří vnitřek rotačního ventilu. Je také připojen k horní části torzní tyče. Spodní část torzní tyče je spojena s vnější částí rotačního ventilu. Torzní tyč také otáčí převodem řízení, který se připojuje k pastorku nebo šnekovému převodu, v závislosti na typu převodky řízení.

Při otáčení torzní tyč otáčí vnitřní částí otočného ventilu, zatímco vnější část zůstává nehybná. Vzhledem k tomu, že vnitřek ventilu je zároveň spojen s hřídelí řízení (a tedy volantem), závisí počet otáček vnitřku ventilu na momentu vyvíjeném řidičem.

Když volant stojí, obě hydraulické trubky zajišťují stejný tlak na převod. Ale když se ventil otočí, kanály se otevřou, aby přiváděly vysokotlakou kapalinu do odpovídající trubice.

Praxe ukázala, že tento typ posilovače řízení není příliš účinný.

Inovativní posilovač řízení

Protože čerpadlo posilovače řízení u většiny vozidel nepřetržitě čerpá kapalinu, plýtvá energií a palivem. Je logické počítat s řadou inovací, které zlepší spotřebu paliva. Jedním z nejúspěšnějších nápadů je počítačově řízený systém. Tento systém zcela eliminuje mechanické spojení mezi volantem a mechanismem řízení a nahrazuje jej elektronickým řídicím systémem.

Ve skutečnosti volant funguje stejně jako volant z počítačových her. Volant bude vybaven senzory, které vozu poskytují signály o směru pohybu kol a motorů, které reagují na akce vozu. Výstup z takových snímačů bude použit k ovládání mechanismu elektrického řízení. V tomto případě odpadá potřeba hřídele řízení, která zvětšuje volný prostor v motorovém prostoru.

General Motors představil koncepční vůz Hy-wire, který již má takový systém nainstalovaný. Skvělá věc na systému drive-by-wire od GM je, že si můžete přizpůsobit ovládání svého vozu pomocí nového počítačového softwaru bez výměny mechanických součástí. V elektronicky řízených vozech budoucnosti si budete moci upravit řídicí systém tak, aby vám vyhovoval, pouhým stisknutím několika tlačítek. Je to velmi jednoduché! Systémy řízení se za posledních padesát let příliš nezměnily. Příští desetiletí však zahájí éru úspornějších vozů.